船用LNG加注干式接头性能试验与技术标准

2019-11-11刘铁英吴顺平吴笑风曾学兵魏华兴吴永峰

船舶标准化工程师 2019年5期

刘铁英，吴顺平，吴笑风，曾学兵，魏华兴，吴永峰

（1. 中国船级社武汉规范研究所，武汉 430022；2. 中国船舶重工集团公司第714研究所，北京 100101；3. 成都安迪生测量有限公司，成都 610200；4. 中国船舶工业综合技术经济研究院，北京 100081）

0 引言

干式接头是一种安全连接设备。液化天然气（liquefied natural gas，LNG）加注干式接头主要用于天然气燃料船舶（以下简称：LNG船）的燃料加注或传输管路，以最小的泄漏量来实现快速连接和脱离的功能，通常与拉断阀配套使用。LNG加注干式接头可取代原来的法兰连接方式，提高作业效率。接头配合连接的两端都带有自密封阀板，脱离后可实现快速关闭，有效地防止LNG燃料的泄漏，避免发生意外或对环境造成污染[1]。

《使用气体或其他低闪点燃料船舶国际安全规则》（IGF规则）中明确规定天然气燃料动力船上加注站的接头应为干式接头，并配备附加的安全干式拉断阀，接头应为标准型[2]。实现干式的2种途径，一是在断开连接之前进行吹扫和惰化，该方法效率低下；二是使用干式接头，安全高效。目前，国内外LNG燃料加注船或加注趸船上已开始配置干式接头和拉断阀。LNG加注干式接头的需求量将大幅增加，应用前景广阔，目前，国内外该产品的技术标准正在制定中。

本文拟对国内外LNG加注干式接头的发展现状进行阐述。对干式接头的工作原理、操作特点进行分析，提出产品的性能试验项目及具体要求和衡准。对干式接头性能试验过程和结果进行分析，对产品的安全功能和试验技术提出要求，并对国际标准ISO 21593的制定过程进行阐述。

1 干式接头工作原理

LNG加注干式接头的母头端（带手柄侧）安装在加注软管上，公头端安装在LNG动力船侧面加注管路上，当需要加注时，将母头端顺时针旋进公头端，连接形成通路；装卸完毕，逆时针转出母头，公、母头自带密封阀门；分开时，两端已形成自封闭状态，防止液体流出，实现清洁环保的装卸料过程。LNG干式接头工作原理如图1所示。

图1 干式接头工作原理

2 国内外发展现状

LNG加注干式接头是一种高技术产品，由于其在承受低至-162℃超低温的同时，还需满足其密封性能与可靠性能，因此，这种接头的制造难度极高，且长期以进口为主。近几年，国内通过引进产品、消化吸收、自主研发等途径，也逐渐具备了一定的技术基础，且部分相关厂家已具备生产能力。

2.1 国外产品现状

目前，国外LNG加注干式接头的主要制造厂有德国Roman Seliger、ARTA，瑞典Mann Tek、TODO，美国JC Carter，英国KLAW等。

2.1.1 罗曼塞立格（Roman Seliger）

罗曼塞立格（以下简称：“RS”）的LNG加注接头（TC系列）为手轮旋转驱动式，见图2。其主体材料采用316L不锈钢，口径范围DN25（Φ32 mm）～DN100（Φ108 mm），适用介质为液化天然气（LNG）、液氮、液氧、液氩、液态甲烷、二氧化碳、低温乙烯等工业气体，工作温度可低至-196℃。

图2 TCCV/TCCA干式接头产品

2.1.2 ARTA

ARTA的ASK-TT系列LNG干式接头通过手轮转动来完成连接和断开的操作（向右转 120°—连接并开启通路，向左转120°—断开并关闭通路），如图3所示。口径范围为DN25（Φ32 mm）～DN200（Φ219 mm），工作温度可低至-200℃，适用介质为LNG、液氧、乙烯、丙烯、乙烷等。其母头上的集成旋转接头可消除软管的扭矩。

图3 ASK-TT系列干式接头产品

2.1.3 JC卡特（JC Carter）

JC Cartery的LNG加液枪采用双把手剪刀式，有2种型号，如图4所示。适用介质为LNG、甲烷和液氮，工作温度为-196℃～＋50℃，主要用于汽车加液，可在5 min内完成加液。

图4 50GPM干式接头产品

2.1.4 Mann Tek

Mann Tek的LNG干式接头是最早用于船对船LNG燃料加注的，其用于全球第一艘LNG加注船Seagas对Viking Grace号的燃料加注。产品口径范围为DN25（Φ32 mm）～DN200（Φ219 mm），工作温度可低至-200℃，如图5所示。

图5 DC Couplings干式接头产品

2.1.5 克洛（KLAW）

KLAW的干式接头口径范围为DN25（Φ32 mm）～DN150（Φ159 mm），主体材料为316L不锈钢，操作手柄可选择圆形或双手柄设计，该产品上的锁定销可有效防止由于软管扭转而导致的泄漏。该接头可与TODO、Mann Tek兼容，且适用于多种工业应用中的各种流体。

图6 Dry Break Couplers干式接头产品

2.1.6 TODO

瑞典TODO隶属于EMCO WHEATON，其干式接头在世界各地应用广泛，TODO-MATIC接头、TODO-GAS接头和DRY-BREAK脱离阀可为用户提供最广泛的选择和最好的保障。TODO的干式接头（图 7）尺寸为 1"～6"，工作温度范围为-20℃～＋80℃，不适用于LNG的传输。

2.2 国内产品现状

目前，国内还没有批量生产LNG加注干式接头的厂家，但已有几家具备了LNG加注干式接头的设计、制造能力。

图7 TODO-GAS DRY-BREAK干式接头产品

2.2.1 成都安迪生

成都安迪生测量有限公司已拥有陆用LNG干式接头产品，型号为T605。该产品最大加注压力为1.6 MPa，主要材质为304L不锈钢，工作温度为-196℃～＋50℃，主要用于汽车加液。在此基础上，该公司研发了船用LNG加注干式接头，并完成了试样制作，试样口径为DN50（Φ57 mm），如图8所示。

图8 DN50干式接头试样

2.2.2 杭州新亚

杭州新亚低温科技有限公司的LNG加液枪主要用于LNG汽车加气，其最大工作压力1.7 MPa，口径为39.5 mm，流量为189 L/min，可用于输送LNG、液氮，产品如图9所示。

图9 LNG加液枪产品

2.2.3 富瑞特装

张家港富瑞阀门有限公司的船用加液枪公称压力为4 MPa，口径为DN50（Φ57 mm），工作温度为-196℃～＋50℃，主体材料为不锈钢，适用于LNG、N2等气体或液体。如图10所示。

图10 50DCJ6NF干式接头产品

2.2.4 三江航天

武汉三江航天远方科技有限公司目前已完成DN50（Φ57 mm）超低温干式快速接头的设计研发工作，正在对试样进行试验，接头试样见图 11。该接头主要用于船舶LNG加注，工作温度为-196℃～＋85℃，该接头的设计参数满足ISO 21593的相关要求。

图11 DN50干式接头试样

3 性能试验

LNG加注干式接头对安全可靠性和密封性能的要求很高，不但需要耐超低温的材料和严格的制造工艺以确保其密封性，而且要求能够快速响应。

因此，标准制定组从安全性、防泄漏、操作性等角度出发，委托成都安迪生测量有限公司对LNG加注干式接头进行了液压试验、密性试验、操作试验、介质冲击试验和爆破试验，以了解接头的抗压性能、密封性能、疲劳性能等。

试样的主要参数如下：

公称通径：DN50（Φ57 mm）

设计压力：1.6 MPa

适用温度：-196℃～＋50℃

主要材质：06Cr19Ni10

3.1 液压试验

液压试验方法如图12和图13所示，干式接头公头端与枪头座连接，枪头座端用盲板法兰密封，干式接头母头端与工装接头连接，工装接头与电动试压泵连接。在干式接头内逐渐加大水压，当水压达到2.4 MPa后稳压10 min，观察产品有无损坏、变形、泄漏的情况。

图12 液压试验方案

图13 液压试验现场

液压试验共进行了 3次，试验结果均显示产品无损坏、变形与泄漏。

3.2 密性试验

密性试验的装置与液压试验类似，不同的是往接头中充入的介质是氮气。将干式接头置于水中，待水面平静后往接头中充入氮气，待压力分别达到0.5 MPa和1.76 MPa时，对其稳压10 min，观察水中有无气泡产生。如图14所示。

图14 密性试验现场

试验结果显示，在稳压期间，水中无气泡产生，该产品密封性能合格。

3.3 操作试验

操作试验的方法如图15所示，将枪头座通过螺栓固定于操作平台上，由人工握持干式接头，重复操作干式接头母头和公头的连接与断开，每 500次试验记录一次公头和母头的磨损情况，共测试1 500次。

图15 操作试验方案

由图16可以看出，经过1 500次操作后，母头外圆出现轻微磨损，但不影响产品性能，3个轴承环位置无明显损伤，公头无明显磨损痕迹。

3.4 介质冲击试验

介质冲击试验方法如图17和图18所示，该类试验的介质为液氮，介质压力为1.6 MPa，安全阀调定压力为1.76 MPa，测试时间10 min/次，测试次数为3次。将干式接头与测试工装相连接，连接之后开启氮气进口阀门和放散阀门，以置换干式接头和管路内部的空气，时间不少于2 min。置换完毕后，开启低温紧急切断阀和放散阀门，并对干式接头进行预冷，预冷时间不少于30 min。预冷完成后，关闭放散阀门，控制低温紧急切断阀无规则开闭，实现液氮对干式接头的无规律冲击。

图16 操作试验结果

图17 介质冲击试验方案

图18 介质冲击试验现场

3次试验结果均显示产品无损坏、变形、泄漏。

3.5 爆破试验

爆破试验的装置与介质冲击试验相同，见图19。试验介质为液氮，介质增压方式为氮气增压，保压压力为8 MPa，安全阀调定压力为8.8 MPa，保压时间10 min，测试次数为3次。试验中，置换和预冷步骤与介质冲击试验相同，预冷完成后关闭放散阀门和低温紧急切断阀，开启氮气进口阀，并将氮气压力调节至8 MPa，保压10 min以观察干式接头有无损坏、变形、泄漏等情况。3次试验结果均显示产品无损坏、变形、泄漏。

图19 爆破试验现场

4 标准制定历程

随着IGF规则的强制生效，为了推进船舶使用LNG作为燃料并确保加注作业的安全，国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）建议国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）制定有关LNG加注干式接头的标准，同时欧盟、工业界均建议ISO能够制定统一的接头标准，未来LNG燃料动力船可在全球港口接受加注服务。

2016年初，中国船级社联合中国船舶工业综合技术经济研究院和中国船舶重工集团公司第七一四研究所向国家标准化委员会和 ISO/TC 8提交制定LNG加注干式快速接头国际标准的立项申请，并起草了标准大纲。2016年7月，经过3个月的投票期表态，最终以10票支持和8个成员国愿意派专家参与的高通过率立项成功，项目编号为ISO 21593，来自中国船级社武汉规范研究所的吴顺平担任本项目组长。2016年11月，吴顺平组长带领内部技术团队编制了第一版工作草案（working draft），随后开始在WG8工作组（liquid and gas fuelled vessels）进行讨论，顺利完成了3轮征求意见和研讨，处理了300余项反馈意见，对标准草案起到了输入大量信息的作用。

2017年9月，该标准项目在法国巴黎召开了第1次工作组会议。来自欧美国家主要快速接头制造厂、船级社和航运公司等共11名专家参加了本次会议，会议围绕接头型式与尺寸、性能试验等要求进行了深入讨论，针对不同厂家产品存在不兼容的焦点问题，在项目组长的引导下，最终以现场表决方式通过了推荐的统一接头型式，体现了国际标准制定过程中的公平、公正和公开的原则。

经过工作组前期的多轮讨论和修订，2018年 3月，该标准顺利通过了技术委员会阶段投票（committee draft stage），与此同时，国内外部分制造厂开始采用ISO/CD 21593作为LNG加注接头的研发标准，并按此进行设计、制造和试验，以确保产品在该标准发布后能及时符合国际标准的技术要求。2018年7月，吴顺平组长在美国纽瓦克召开了本项目的第2次工作组会议，来自USCG、SGMF、Shell、International Registries等国际组织和企业的14名专家参加了本次会议，会议围绕 CD阶段收集的115条意见和处理情况进行了详细讨论，进一步巩固了兼容性接头的尺寸方案。

2018年12月，该标准以92%的支持率顺利通过了国际标准草稿阶段（draft international standard），同时收到了一些编辑性修改意见。经评估DIS投票意见和修订完善标准草案，并与ISO/TC 8主席、中央秘书处、WG8召集人协商，一致同意本标准进入出版阶段，且符合ISO标准的制定程序。2019年3月，该标准草案及相关材料已上传到ISO工作平台，经中央秘书处排版和校对后，预计今年 7月正式发布，届时将进一步推动水上LNG燃料的加注安全与高效发展。

5 技术标准简介

ISO 21593《船舶与海洋技术—液化天然气加注干式接头的技术要求》针对用于LNG燃料加注的液化天然气干式接头，提出了设计、安全性和功能的最低要求，规定了检查和试验程序。旨在为产品的设计、制造和试验提供技术标准，为制造厂获得产品认可提供指导，为LNG燃料动力船加注提供兼容接头型式以确保加注作业安全。

标准内容主要包括一般要求（设计要求、功能要求）、材料要求、构造要求（兼容性设计）和试验要求。

1）LNG干式接头应按照承压设备的设计标准进行设计，最小设计压力为1.6 MPa，考虑低温试验及船舶暖舱等操作，接头设计温度范围为-196℃～＋85℃。功能上应实现在所有工作条件下保持密性，无需辅助可进行手动连接和断开，在一定结冰程度下能实现断开连接，操作中不会在加注系统上产生扭转载荷等。

2）选用材料应适用于-196℃～＋85℃的设计温度范围。接头本体需采用经固溶处理的F316不锈钢锻钢或同等级别材料，其他附件材料均应适用于标准规定的设计压力和温度。

3）为保证接头的兼容性，公头、母头的对接端部应严格按照标准规定的尺寸进行设计，连接加注系统的端部均应采用法兰连接。公头及法兰端面如图20所示，具体尺寸见表1。